ABBS建築論壇

ABBS建築論壇:

在鋼結構之上，作為屋面的殼體最外層由鋪設在KAL-ZIP鋁合金龍骨系統上的2萬多塊鈦金屬板和1200多塊大小不等的有色玻璃幕牆組成。
鈦金屬板的厚度只有0.44毫米，既輕且薄，如同一張薄薄的紙，因此，下面必須有一個由複合材料製成的襯板；每一塊襯板也將切割成與其上的鈦金屬板同樣大小的尺寸，工作量非常大。由於殼體的橢圓造型，每一塊鈦板都變成一個雙曲面，面積、尺寸、曲率都不同，因此，安裝角度總在變化，施工難度也就相當大。
由於鋼材與玻璃的膨脹係數差異很大，鋼材與玻璃的結合問題最初也被視為技術難點。一方面玻璃要安裝得非常精確；另一方面，裝上玻璃的鋼結構往往會在一段時間內產生變形，鋼結構一鬧彆扭，原來裝得嚴絲合縫的玻璃，也會變得參差不齊。這個問題是所有幕牆施工時都會遇到的，施工中鋼結構變形的實際情況是:總的脹縮量較大，但經過平均，分擔在每一部分上的脹縮量就很小了。比如穹頂上環梁計算脹縮量為8厘米，但是平均到環梁周長上的每個點，鋼材脹縮量僅為零點零幾毫米，並不影響大局。
即使這樣，為確保施工精度，工程人員對鋼結構的變形問題還是做了充分考慮。計劃先裝上中間部位的玻璃，等鋼結構變形完之後，再根據變形後的尺寸進行安裝。目前，解決方案還在進一步完善中。
此外，由於支撐鈦金屬板的鋼結構中有5000多個結點要穿過屋頂防水層，所以，如何確保這5000多結點個個都“滴水不漏”，對施工質量也提出了很高的要求。
為使整個屋面設計達到保溫、防水、密閉等效果，有關方面進行了長期的屋面安裝模型實驗，方案進一步優化後就可以開始施工。屆時，堅固、耐用、透明的太空金屬將把大劇院外觀裝扮得格外耀眼。

殼體清潔保養
最初階段，安德魯對殼體清潔保養問題的解釋非常浪漫：建築不能總保持一種狀態，應該如四季一樣富於變化，有時干淨有時臟是很自然的。但北京不像歐洲，灰塵風沙特別大，惡劣的“自然變化”結果並不在人們審美心理的認同範圍內，因而殼體的清理就是必需的。
有關專家設想了許多解決方案，比如鈦板本身設計為活動的，其下有槽，支出來便可接受清洗；再如採用納米自清洗玻璃，自清洗鈦板技術等，但這些方案由於技術及造價等問題都難以實施。
最後，大劇院業主委員會決定與北航機器人研究所合作，提供實驗費用，研製一種機器人“清潔工”。目前，樣機已經製作完成，有望解決這個問題。
此外，屋面鈦板之間預留10厘米的縫，當雨水由上沖刷下來時，泥沙不會累積，而是通過每道縫流到防水層，然後再被集中處理。這種手段有效減弱了泥沙對鈦板的污染。殼體鈦板上也預留很多掛鉤、掛點，以便維護人員上去進行清理工作。再加上定期使用預留的噴淋設施進行清洗，保持殼體清潔不成問題。

圖：國家大劇院遠眺圖：街景

圖：殼體結構施工圖：殼體結構吊裝

二、安全問題
基礎防水問題
國家大劇院所在的北京地區，屬於8度抗震地區。由於其性質為特級建築，使用期限為100年，因此，抗震設計是按9度設防9度構造標准進行的。建築各部分材料計算用量相對較大，基礎局部埋深可達32米。
大劇院基坑工程屬超深、超大基坑工程，整個底盤面積相應也很大（一層3萬多平方米），像一個巨型筒狀物深埋地下。在施工設計過程中，許多難題的解決頗費周折，其中最棘手的是解決基礎的防水問題。
雖然北京現在地下水位較低，承壓水位為-18米，但是由於大劇院基礎非常深，地下水壓達十幾噸，而三個主體建築(歌劇院、戲劇院、音樂廳)基礎之間又要求設沉降縫，為避免隱患，對基礎防水問題就提出了更高要求。
通常，建築基礎的防水處理措施為剛性防水加柔性防水處理。考慮到大劇院超深超大基礎的特殊情況，為抵抗地下水壓，提高基礎抗滲性、穩定性和耐久性，施工設計採用全部剛性防水加隔水層的措施，確保地基安全。

通風問題
一般而言，一個大殼體覆蓋於地面，沒有任何門窗通向室外，排煙換氣必然成為問題。不僅如此，2003年的SARS疫情對國家大劇院這樣的密閉空間的通風問題也敲響了警鐘。
為解決排煙換氣問題，工程人員在殼體南區設兩幢機房，其中東南角為排風排煙機房，它把國家大劇院需要排走的煙和氣經由通道抽到地下室，從基礎排走。因此，基礎不僅要滿足抗彎抗剪的要求，還要充分利用其箱形結構空腔，配設相應“風道”，承擔送風、排風的功能。
大劇院的室內空氣完全依靠中央空調來調節，這就對空調的健康功能提出了一定要求。在SARS之後，大劇院的工程人員對空調的安裝、回風系統、新風機組的標準等做了相應提高，進一步完善，以確保中央空調符合健康標準。在幾近封閉的空間內，創造出接近自然的清新空氣。

防火問題
緊急情況下的防火疏散問題，不僅是技術問題，要解決它，還要對現行規範中不合時宜的部分做突破性的改進。二者同時並舉，問題才能得到有效解決。
最初，按照中國的現行規範，國家大劇院這樣的特殊建築根本不可能通過。後來，消防審批部門及公安部的防火專家與法國專家針對大劇院的防火疏散問題進行了反复探討，得出的結論是“現行規範無法涵蓋此類建築”。這並不代表否定。相反，它表明，像伴隨新問題的出現而不斷修訂的法律一樣，建築規範也應具有“與時俱進”的精神。出現新問題，就要有新的研究對策、新的規範出台加以補充，以利於社會的良性發展。
從國家大劇院開始，相關審批部門引進所謂“性能化設計”，即一種新的審批依據。過去我們完全按照規範條文來限制設計，非常機械，現在這項依據的優勢在於：以定量的方式讓所謂“安全”計算更科學、更合理，同時也更安全。設計時，先在電腦上模擬建築實體，並附上預選材質，然後對每種材質做詳盡的安全計算。建築物各部位結構及裝修材料（如金屬、塑料、木材等）甚至包括室內選用的家具材料，一旦被點燃，它們的燃燒值、燃燒時間、排煙量、毒性，以及對結構的破壞作用等都被準確地計算出來。在此基礎上進行消防設計，就可以做到量化而且非常有針對性。
具體到大劇院標高±0.00以上的大堂部分，如何對其進行消防設計?依照新的安全計算標準，就需要考慮地面石材、燈具、裝修材料等散出的煙對結構及建築其他部位將會造成多大破壞作用，甚至還包括在結構附近有人放火的情況。經過這樣有針對性的安全計算，防火分區的設定更加科學化，相關防火措施效果也更好。比如大廳內增設一些“水砲”，當火災發生時，消防隊員進入建築把水砲推出來即可進行撲救工作。

疏散問題
消防設計中,除了採用安全的防火措施及撲救設施以外,還必須合理地解決疏散問題。在設計之初,如何迅速將觀眾及演員安全撤離,是需要解決的棘手難題。
傳統認為，疏散距離是火災發生時，人從室內跑到室外的距離，到達室外就等於達到安全區。其實並不盡然，應該這樣認為：只要達到安全標準，無論室外還是地下，都應是安全區。所以，設置地下“安全通道”就成為解決疏散問題的主要途徑。安全通道設計完全符合防火要求，耐火極限達到兩三個小時，通道內沒有任何其他設備或用途，只擔當疏散任務。大劇院共設計了四條這樣的通道，南北各兩條。為確保安全，疏散規範採用了更為保守的計算方法，通道寬度最終是按1.5萬人能迅速撤離的標准設計的。
此外，在劇院與露天水池之間還設計有一條寬達8米的環形消防通道，走廊雖然位於地下11.5米處，但卻是露天的。消防通道可容納兩輛消防車並排通行，同時還留有2米寬的人行通道，消防隊員也可通過該通道及時到達著火點。消防通道的存在，將為人們的安全撤離贏得時間。
為實現並完善法方的設計理念，中方合作單位北京市建築設計研究院做了種種有效的努力，對於安全問題的解決，最後的方案雖不能說盡善盡美，但卻充分挖掘了現有技術設備的潛力，實現了對現行規範的突破與更新，對之後的奧運場館項目的建設具有極強的指導意義。

圖：殼體結構吊裝

三、人工水面
水面恆溫技術
安德魯設計方案的特色不僅在於那個大殼體，更在於環繞殼體的水面。效果圖上的國家大劇院四周是碧波蕩漾的水池，柔和的具有金屬光澤的殼體在夜晚被燈光映襯，與波光粼粼的水面交相輝映，景色壯觀而富有想像力。到了冬天，環繞大劇院的水面變成了冰場，人們在其上滑冰，場面將非常生動。法方一直堅持要實現冬季水面結冰的構想，而北京環境污染的實際狀況卻無法支持這樣的浪漫理念。結冰後，清理工作很難進行，清澈的水面有可能變成混濁的固體。法方相關設計人員在中國的兩年間，親眼目睹北京冬天水面結冰的現狀，在施工圖後期，終於同意中方意見，將露天巨型水池的溫度始終控制在0℃以上，實現“冬天不結冰，夏天不長藻”的效果。
而有效控制水溫也是個難題。用傳統的電加熱等方式，不僅消耗能源且難以控制，加熱溫度若高，水就變成水蒸氣，水面就像開鍋一樣了。最後，工程人員決定採用潛層地下水熱交換技術，以保持水溫在0℃以上。為優化技術方案，去年建起一個模擬實驗池，規模如同水池的1/22，通過實驗，已找到該技術的熱消耗量等重要參考設計值。另外，解決最冷時水面結薄冰的問題也很關鍵，入口玻璃通廊上的水面只有10厘米，如果結冰，整個水循環系統就會被破壞。

水面做法
大劇院周圍水面有2萬多平方米，面積雖然很大，但其設計深度只有40厘米，因為太深很難保證水質，尤其在北京風沙天氣的情況下。
具體做法是將巨型水面分隔為22個格，在分隔水面的肋上面留10厘米水面，以保證整個水面既分隔又連通。清理和檢修時，打開其中一格放水即可，節約水量。在作為觀眾入口的水下玻璃通廊處，為了保證整個水面平整，其上水面高度只有10厘米。這樣處理的目的在於，發生緊急情況時，即使玻璃碎了，下落的水也不會把設備或機房淹掉而造成過大影響。通廊下的人群則可通過廊內8個應急疏散口，達到其下面及兩側的4個安全通道。
這10厘米水面也許沒有設計初期所描述的那種海底世界般美好的感覺，但這樣的設計將會有一個更積極的效果。比如，淺水的透明度高，光線穿透力強，尤其在夜晚，當人們行走於這80米通道時，透過水面能看到影影綽綽的晶瑩的大劇院。

水池構造細節
為了使這2萬平方米的巨大水面達到一些特殊效果，還需要對水池進行部分構造細節設計。例如，水池中心部分沿大殼體（周長900米）周圍，如何形成一個水流連續的小瀑布？要實現它，技術上就需要保證周長900米的瀑布口水平高度相差不到一兩毫米，這個要求土建施工難以滿足。最終的實施辦法是在池邊上設一圈長短可以控制的插板，用以靈活控制水面高度，使這一圈水都能均勻流下。
按照設計要求，水池底面由池周邊向中間呈曲線逐漸匯集，像一個盆形。這樣，池底鋪裝的每塊石材表面都變成雙曲面，加工難度非常高。香港建設有限公司對石材的放樣圖，持續2個月都沒完成，而且每塊石頭的成本核算要2萬多元人民幣，對於這麼大面積的水池也相當不經濟。設計初期，法方還設想池底由外圈向中心傾斜60厘米，試圖依靠水面自身衝力帶走雜物，淨化池底。而一定的衝力又很難保證水面的平靜，且造價和難度都很高。經反复研究討論決定，保持池底水平，石材與底面脫開，架空一部分。這樣，沙子等雜物可以由水流從石材的空隙落入架空層，若進行清理，只要把活動石材挪開即可。這樣做造價較低，效果也不錯。

圖：鈦板下的襯板安裝圖：穹頂下的劇院主體建築

圖10.國家大劇院正面透視

圖11.人民大會堂與國家大劇院

四、內部處理
人性化設計
除了一些技術難題的解決，在功能上，綜合各方專家意見，法方對原設計進行了一些修改完善，使其更加人性化。例如：對劇院的入口設計就做了不小的改動。最初是先走入地下，通過地下通道再上來進入劇院，現已改為通過地下通道直接進入大劇院，這樣使觀眾避免有重複和繁瑣的感覺。同時，還有另外一些小的變化。比如，原設計中在底層的小劇院，現在已經轉到建築上層。為強化功能和降低成本，一些輔助服務的功能設施，如畫廊等，經壓縮、合併後也在原設計基礎上做了相應改動。在大劇院主體建築之外的東南角還增設小音樂廳以滿足使用需要。
具體設計細節包括，演出廳內的屏蔽設計，可以阻斷手機信號，觀眾再不會在演出中受到手機鈴聲的干擾，但是在公共大廳內，人們卻可以盡情地與親友通話，因為那裡的信號是經過無線通訊站放大的。大廳內設有很大的存衣間，觀眾不必再在演出前為存衣存包而著急上火；地下二層設有約1000個停車位；劇院東南側小音樂廳的地下，有一個可供千人就餐的咖啡廳。

裝修設計
目前，工程已進入建築內外裝修和舞台機械的安裝階段，對於許多細節問題的處理也相當關鍵，安德魯和中方負責人一起進行反复比較、斟酌，使設計思想得以貫串始終。
在內部裝飾材料的質地和顏色選擇上，設計師態度非常認真。比如大堂地面的鋪裝問題，若按一般石材分隔方法，由於地面形狀的特殊性，會產生很多異形石材，很難拼出完整的圖案。反复推敲後決定地面拼圖採用不規則形式，大部分用灰色石材，其中少量配置具有鮮豔色彩和紋理的石材,紋理呈放射狀，隨機地交織在一起，構成一張富有想像力的抽像畫。室外“人工湖”池底石材的選擇也同樣曲折而有趣。比如水池的石頭到底選什麼顏色，深色的還是淺色的，深到黑色？而純黑色肯定不行，因為水面很淺，白色如金屬反光的也不合適。最後選中“承德綠”，其上有黃色雜點，當置入水中時，石材上的點狀物與水中懸浮雜質融為一體，效果較令人滿意。
整個內外裝修材質選擇的目的性都很強，因此不得不做各項實驗性比較。對欄板的選擇就頗費周折。安德魯很欣賞中國雕漆工藝，但強調不採用傳統符號形式，不去模仿，希望對傳統工藝進行現代化利用，使其具有傳統的“痕跡"。他親自到雕漆廠參觀製作工藝流程，希望從他們製作的過程中得到某種靈感啟發，比如與工人一起研製用一套新工具在未乾的漆上“抓”，造成某種形式的效果。這種研究及創新的精神貫串整個設計始終。

劇場設計
劇場的現代化不僅表現在舞台和後台的設施方面，舞臺本身的設計也應充分考慮各種演出要求。以前，中國的舞台設計要求台口高而寬，實現大歌舞排練演出需要（比如應對“東方紅”那樣的大場面）。而事實上，這種場面的歌劇寥寥無幾，如果舞台設計滿足了大歌舞的需要，相關設計指標反而構成對其他演出形式的限制，甚至帶來負面影響，令許多劇團望而卻步。
國家大劇院的舞台設計不僅充分考慮了演出的實際需要，而且劇院的聲控及光控系統也採用了新技術，極大提高了劇院室內音質效果。以前，面光設備被置於觀眾席底層，它的開槽對聲音的吸收作用非常明顯，其中對舞台上演員的影響最大，演員的聲音順著光線打來的方向被面光槽吸收。由於現在相關設備已經更小型化，更安全，設計就進行了突破，面光從樓座打出，有效減弱面光口對聲音的吸收作用。
劇場採用維多利亞式的馬蹄形劇場設計，觀眾在每一個座位上都可享受到最好的視距和音響；座椅及行距都很寬敞，滿足觀眾的舒適性要求。藝術家也將享受到應有的貴賓待遇—劇場內設有5個排練場、32個琴房、80個化妝間，許多化妝間內還帶有衛生間和淋浴設備，演員們再不用擠在一間屋子裡換裝或者找不到休息和練琴的地方了。
舞台機械部分在技術上除實現了計算機控制外，沒有太大創新，但卻極為複雜。設計採用了德國和日本以及國內的一流設備，目前正在進行安裝，施工慎之又慎。

五、結語
國家大劇院的施工仍在有條不紊地繼續進行，人們關於大劇院的想像逐漸隨之落幕。安德魯對自己的設計方案非常自信：“也許，在成為一個看得見、進得去的建築之前，人們很難想像它的美麗。而它一旦建成，人們就會明白為什麼要這樣設計，而不是那樣設計。”
無論最終的評價如何，大劇院的建造過程已具有積極意義。為解決消防問題而出台的“性能化設計”審批依據，對奧運場館項目建設具有很強的指導作用；為保持人工湖恆溫，採用的潛層地下水熱交換技術，對奧運公園的巨大水面處理提供了選擇；鈦板屋面的建成，也將帶動國內建築業對鈦板的了解和應用。